JPH10288006A

JPH10288006A - 複合サイクル発電プラントの出力制御手段

Info

Publication number: JPH10288006A
Application number: JP9556497A
Authority: JP
Inventors: Akira Osawa; 陽大澤; Yoshio Sato; 美雄佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-04-14
Filing date: 1997-04-14
Publication date: 1998-10-27

Abstract

(57)【要約】【課題】環境規制の強化に伴い、ＧＴの好適な燃焼条件
が狭くなり、負荷変化時に好適な状態を保てなくなる場
合がある。【解決手段】運転予測と現在のＧＴ燃焼状態に基づき、
近い将来における負荷変化時のＧＴの過渡的な燃焼状態
を予測し、好適な燃焼状態を外れることが予測された時
は、予めＣＶの基準開度を変化させることで負荷変化の
準備をし、ＧＴとＳＴ双方で負荷変化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は複合サイクル発電プ
ラントの出力制御手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】複合サイクル発電プラント（以下Ｃ／Ｃ
と称す）の出力制御手段は、ガスタービン（以下ＧＴと
称す）の燃料供給弁だけを出力調整用の操作端とし、蒸
気加減弁は全開として蒸気タービン（以下ＳＴと称す）
からの出力は、成り行きまかせであるのが一般的であ
る。以下、この方式をＳＴフォロー方式と呼ぶ。

【０００３】一方、ＳＴの出力も積極的に制御すること
で、プラント全体の出力調整能力を向上しようとする技
術も多数提案されており、代表的な例は、特公昭61−54
927号公報がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＳＴフォロー方式で
は、ＧＴの出力調整能力が、プラント全体の出力調整能
力を決定する。

【０００５】近年の環境規制の強化により、ＧＴの燃焼
条件は厳しくなっている。即ち、ＧＴの燃料と、燃焼用
空気の関係で、空気過剰の場合には一酸化炭素（以下Ｃ
Ｏと称す）排出量は減少するが、窒素酸化物（以下ＮＯ
ｘと称す）排出量は増加する傾向がある。逆に空気不足
の場合には、ＮＯｘ排出量は減少し、ＣＯ排出量は増加
する（図３）。従って、ＣＯ及びＮＯｘ双方の環境規制
を守るためには、せまい燃焼用空気と燃料の比率（以
下、空燃比と称す）の好適な領域を守りながらＧＴ出力
を調整する必要がある。

【０００６】ところが、燃料配管系で、燃料調整装置
（通常は燃料弁）と燃焼器の間にはある距離があり、Ｇ
Ｔの出力調整指令に対して、燃料流量の追従が遅れるこ
とがある。従って、過渡的な操作、例えば負荷変化時
に、理想的な空燃比を保つことが出来ない。例えば、図
３のａ点における運転から、出力を上昇してｂ点におけ
る運転に移行する場合、過渡的な空燃比は、図中経路１
の如く直線的に移行することはなく、経路２のように曲
線を描く。このとき、ａ点における運転マージン（ＣＯ
過多領域までの余裕）が小さい場合、過渡的に燃焼条件
がＣＯ過多領域に入り込むことがある。しかも、プラン
トの出力変化を考えた時、ＳＴ出力の遅れ分をカバーす
るため、ＧＴ出力は図４のようにオーバーシュートす
る。このことも、過渡的に良好な燃焼条件を維持できな
くなる現象を助長する。

【０００７】一方、燃料配管系ではなく、空気配管系の
遅れが問題になることも有り、この場合は前述とは逆の
経路３のような過渡特性になる。従って、前述の現象と
は逆に、ＮＯｘ過多領域に入る傾向になる。

【０００８】本発明の目的は、過渡的な操作でも、プラ
ントの負荷追従性を犠牲にせず、ＧＴが好適な燃焼条件
を維持できるＣ／Ｃの負荷追従方式を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、上述のよう
な問題を解決するために成されたもので、その目的はＧ
Ｔ出力とＳＴ出力を別々に制御することのできないＣ／
Ｃの出力変動に対して、好適なＧＴの燃焼条件を維持し
つつ、発電機出力を速やかに追従させることが可能な、
信頼性の高いＣ／Ｃ出力制御手段を提供することにあ
る。

【００１０】そこで本発明では、負荷指令と、発電機の
発電出力との差である出力偏差を算出する減算手段と、
出力偏差を入力してプラントの出力調節用の操作端の制
御指令を出力する制御手段と、負荷指令と現在の時刻と
過去の運転実績に基づく知識とから、将来の運転状態を
予測する運転予測手段と、ＧＴの燃料流量と空気流量、
及び外気の気温，湿度などの条件から、現在のＧＴの運
転状態を推定する燃焼状態推定手段と、ＨＲＳＧの状態
量から、ＨＲＳＧの運転状態を推定する排熱回収ボイラ
状態推定手段と、運転予測手段と燃焼条件推定手段と排
熱回収ボイラ状態推定手段の出力から、将来のプラント
運転形態を決める運用モード決定手段と、運用モード決
定手段の出力から、制御手段の出力を燃料供給弁と蒸気
加減弁とに配分する信号配分手段と、運用モード決定手
段の出力により、蒸気加減弁の基準開度設定を変更する
基準開度設定手段と、信号配分手段の出力のうち蒸気加
減弁の制御指令として配分された信号と、基準開度設定
信号の出力信号とを加算して、蒸気加減弁の制御信号を
出力する加算器とを有することを特徴とした複合サイク
ル発電プラントの制御手段によって上記の目的を達成す
る。

【００１１】即ち、ＧＴの出力を制御するとともに、Ｇ
Ｔが好適な燃焼条件を維持できないと予測された場合、
予めＨＲＳＧの保有熱を貯えてＳＴによる出力制御を可
能とすることで、ＧＴの燃焼状態を好適に維持したまま
プラント負荷追従運転を行う。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施例につい
て、図面を参照して説明する。

【００１３】まず、本発明の対象となるＣ／Ｃプラント
の概要について、図２で説明する。まず、圧縮器１で空
気を圧縮する。燃料配管２から燃料弁３を経由して燃料
が供給され、燃焼器４で燃焼する。高温の燃焼ガスは、
ＧＴ５で膨張され、駆動力を発生する。膨張して温度が
下がった燃焼ガスは、ＨＲＳＧ６に導かれ、更に熱回収
される。ＨＲＳＧ６に供給される水は、まず給水ポンプ
７で加圧される。供給された水は、ＨＲＳＧ６内では、
節炭器８で暖められ、ドラム９に導かれる。ドラム９内
部の水は、蒸発器１０を循環しつつ蒸発し、ドラム内部
で乾き蒸気と水ン分離され、乾き蒸気だけが過熱器１１
で過熱される。過熱された乾き蒸気は、主蒸気配管１
２，蒸気加減弁１３を通って、ＳＴ１４に導かれ、膨張
して駆動力を発生する。ＳＴ１４を出た蒸気は、復水器
１５で復水され、再び給水ポンプ７で加圧される。ＧＴ
５とＳＴ１４は、多くの場合同軸で結ばれ、一つの発電
機１６を駆動する。ここで、燃焼用空気の流量は、圧縮
器１の入口或は燃焼器４の入口付近の空気流量調節手段
１７で調節できるものとする。

【００１４】次に図３で、燃焼器４における燃焼状態を
説明する。一般に燃焼器では、空気流量が過大になると
燃料の酸化反応の上に、空気中の窒素の酸化も進み、燃
焼排ガス中のＮＯｘ濃度が上昇する傾向がある（図中Ｂ
領域）。一方、空気流量が小さくなると、空気中の窒素
分の酸化は進まないが、酸素不足による不完全燃焼の状
態になり、ＣＯの排出量が増える（図中Ｃ領域）。従っ
て、環境規制として決められたＣＯとＮＯｘの排出濃度
を守るには、狭い最適燃焼領域（図中Ａ領域）を守りな
がら運用する必要がある。

【００１５】いま、燃料弁３と、燃焼器４の間が長いと
する。現在、図３のａ点でＧＴを運転していたとして、
これをｂ点まで移行することを考える。燃料弁と燃焼器
の間の距離のために、燃焼状態がａ点からｂ点に移行す
る際に燃料流量の増加が遅れ、過渡的な燃焼状態は図中
の経路２曲線のように変化する。

【００１６】ここで、ａ点における最適燃焼条件とＮＯ
ｘ過大領域との余裕が小さい場合、一時的に燃焼状態が
好適な領域を外れる。このような燃焼状態は望ましくな
く、環境規制が厳しい場合には許されない場合がある。
その場合、ＧＴは所定の負荷運用する事が出来ず、従っ
てプラントの負荷追従能力が制限されることになる。本
発明では、一日の標準的なプラントの運用形態と、ＳＴ
による負荷調整能力に着目し、以下の方法で好適な燃焼
状態を維持したまま、プラント負荷運用を実施する方式
を考えた。

【００１７】ここで、ＧＴの燃焼状態が好適な領域を外
さないためには、（１）ＧＴの負荷変化率を下げて、ａ
点からｂ点への経路を直線に近づけるか、（２）予めａ
点を、ｂ点に近いａ′点にしておき、実際の負荷変化時
にはａ′点からｂ点への運転にするの二つの方法があ
る。このうち、（１）だけではプラントの負荷変化要求
を満たせないし、（２）だけでは余裕が少ない時に対処
できないので、（１）（２）の組み合わせで対処するの
が理想的である。

【００１８】手順は以下のようである。図５は、Ｃ／Ｃ
プラントの代表的な一日の運用の様子を示す。今、現在
の時刻、及び現在のプラント負荷が、図５のＫ点であっ
たとする。今後、プラントに対して、負荷上昇の要求が
なされることは、容易に推定できる。一方、現在のＧＴ
における燃焼条件が図７のａ点であり、図５に基づく負
荷上昇要求に対して、実際に負荷を上昇すると、図中点
線のような過渡状態になるため、好適な燃焼条件を逸脱
することが予測されているとする。

【００１９】このようなときは、まず予め燃焼条件をａ
点からａ′点へ移行させる。これは、図６で、時刻ａか
ら時刻ａ′に移行した状態である。この状態では、ＣＶ
開度を全開から半開状態にし、ＳＴ出力は絞る。一方
で、ＨＲＳＧへの入熱は増加し、出熱は減少するので、
内部保有熱量は増加する。この状態で負荷上昇指令が来
ると、図６の時刻ａ′から時刻ｂのように運転すればよ
い。即ち、ＧＴの負荷変化率を抑え、ＳＴの負荷調整能
力でプラント負荷要求に対応する。この時、HRSGの内部
保有熱がため込まれ、主蒸気圧力が上がっているので、
ＣＶを開くと図６のようにＳＴ負荷が上昇する。ＧＴ負
荷変化率も低く抑えることができるので、図７に示すＧ
Ｔの燃焼状態も、ａ′点からｂ点へゆっくり変化するた
め、好適な燃焼領域を外れる恐れがない。ただし、ａ点
からａ′点へ状態を移行する場合、ＨＲＳＧの運転条件
を守る必要がある。即ち、ＨＲＳＧの最高使用圧力等の
制限は守りながら、ＣＶを絞る必要があるため、無制限
にａ′点をｂ点に近づける事は出来ない。

【００２０】図１はこの実施例における出力制御装置の
構成を示すブロック図である。まず、通用の場合、減算
器１０１で、プラント負荷指令（ＭＷＤ）とプラント負
荷Ｌの偏差信号であるΔＬを算出する。制御器１０２
は、ΔＬをもとにプラントの負荷制御信号を出力する。
多くの場合、制御器は比例積分回路が使われる。運用上
に何の問題もない場合は、信号配分器１０３は、ＧＴ燃
料指令であるＦＦＤ側だけに負荷制御信号を出力する。
一方、ＣＶは、基準開度設定器１０４の出力に基づいて
開度が設定され、信号配分器１０３の出力がＣＶ側に配
分されない場合には、この基準開度のまま固定される。
多くの場合、ＨＲＳＧの排熱回収効率を考えて、基準開
度は全開とされる。

【００２１】さて、ＭＷＤと現在の時刻、及び通常の運
転に関する知識１１０から、前述のように十数分程度の
将来の運転状態が運転予測部１１１で予測される。一
方、ＧＴの流入空気流量，燃料流量，気温，湿度などか
ら、燃焼状態推定部１１２で現在のＧＴの燃焼状態が推
定され、同時に好適な燃焼状態を維持するための余裕も
算出される。また、主蒸気圧力等のＨＲＳＧの状態量を
計測し、ＨＲＳＧ状態推定部１１３で、ＨＲＳＧ側の条
件からＣＶ操作が可能であるかどうかを判定する。これ
らの運転予測，燃焼状態の推定結果，ＨＲＳＧの状態か
ら、運用モード決定部１２０でＧＴ側とＳＴ側の負荷配
分モード、および、ＣＶの基準開度設定を決定し、過渡
的な運転形態を決める。この決められた運用モードに従
って、信号配分器１０３で、負荷制御信号がＦＦＤとＣ
Ｖ操作信号に分けられ、ＦＦＤはそのままＧＴ燃料弁操
作指令としてつかわれ、ＣＶ操作信号は、加算器１２１
で基準開度設定値に加算されてＳＴ負荷の制御信号とな
る。

【００２２】基準開度は、基本的にＨＲＳＧの状態を見
ながら、例えば最高使用圧力を超えないように設定すれ
ばよい。実際には、基準開度は、ＨＲＳＧの状態だけで
なく、近い将来にプラント負荷が上昇するか、下降する
かによっても設定が変わる。設定は、例えば、図８のア
ルゴリズムで決めればよい。図８のアルゴリズムは、大
きく分けて運用予測が負荷上昇であるか、負荷降下であ
るかで分けられる。負荷降下の場合、ＳＴ負荷も下げれ
ばよいので、基準開度は全開位置でよい。負荷上昇の場
合には、予め基準開度を半開程度にする必要があるが、
その際、主蒸気圧力がＨＲＳＧの最高使用圧力を超えて
はならないので、圧力の余裕を見ながら、かつＧＴ負荷
が急激に変化し、好適な燃焼条件を外れる事のないよう
に、ゆっくりＣＶを新しい基準開度まで変化させる。

【００２３】負荷下げの場合には、むしろ負荷変化終了
時点から、定常状態に戻る際に、一旦閉じたＣＶを全開
に戻すことが問題になる。また、負荷上昇でも、負荷変
化終了時点でＣＶが全開でなかった場合、プラント効率
の観点から、これを速やかに全開に戻す事が重要であ
る。いずれの場合も、ＧＴが好適な燃焼状態を維持でき
る範囲で、十分にゆっくりＣＶ開度を変化させるだけで
良い。

【００２４】信号配分器１０３における信号配分は、図
９の四つのモードを基本に、ＧＴ／ＳＴ協調モードでは
制御信号の大きさの配分なども決める事で、ＧＴ及びＳ
Ｔの負荷調整能力を最大限生かせるモードを選択すれば
よい。

【００２５】図９の四つのモードの選択は、例えば図１
０のアルゴリズムに従って決定すればよい。即ち、ＣＶ
基準開度が設定されていなければ、通常の運用形態であ
るＧＴ負荷制御・ＣＶホールドモードを選択する。基準
開度が設定されていれば、ＣＶ操作が可能になるが、Ｃ
Ｖが全開等の制御限界に達している場合は、ＧＴ負荷も
制御出来ない状態なので、ＧＴ・ＳＴ双方ともホールド
する。この状態で、ＣＶ制御に余裕がある場合は、ＧＴ
ホールド・ＳＴ負荷制御モードにする。そして、ＧＴに
も余裕がある場合はＧＴ／ＳＴ負荷制御にすればよい。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、燃焼器における燃焼状
態を常に良好に保てる。また、ＳＴの負荷追従能力を活
用して急速負荷制御が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の負荷制御方式のブロック図。

【図２】本発明の対象である複合サイクル発電プラント
の説明図。

【図３】ガスタービンの過渡的な燃焼状態の変化を示す
説明図。

【図４】通常の複合サイクル発電プラントにおける負荷
変化の説明図。

【図５】複合サイクル発電プラントの代表的な一日の負
荷変化を示す説明図。

【図６】本発明の制御方式による負荷変化の説明図。

【図７】本発明の制御方式によるガスタービンの過渡的
な燃焼状態を示す説明図。

【図８】本発明の運用モード決定における蒸気加減弁の
基準開度変更ロジックを示すフローチャート。

【図９】本発明のガスタービンと蒸気タービンの負荷配
分パターンを示す説明図。

【図１０】本発明のガスタービンと蒸気タービンの負荷
配分パターンの選択アルゴリズムを示すフローチャー
ト。

【符号の説明】

１１０…知識、１１１…運転予測部、１１２…燃焼状態
推定部、１１３…HRSG状態推定部、１２０…運用モード
決定部、１２１…加算器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスタービンと、前記ガスタービンの排気
より熱回収して蒸気を発生する排熱回収ボイラと、前記
排熱回収ボイラから発生した蒸気で駆動される蒸気ター
ビンと、前記ガスタービン及び前記蒸気タービンにより
駆動される発電機とからなる複合サイクル発電プラント
で、前記ガスタービンの燃料流量を調節する燃料供給弁
と、前記蒸気タービンの流入蒸気流量を調節する蒸気加
減弁を有する複合サイクル発電プラントの出力制御手段
において、負荷指令と、前記発電機の発電出力との差である出力偏
差を算出する減算手段と、前記出力偏差を入力してプラ
ントの出力調節用の操作端の制御指令を出力する制御手
段と、前記負荷指令と現在の時刻と過去の運転実績に基
づく知識とから、将来の運転状態を予測する運転予測手
段と、前記ガスタービンの燃料流量と空気流量、及び外
気の気温，湿度などの条件から、現在の前記ガスタービ
ンの運転状態を推定する燃焼状態推定手段と、前記排熱
回収ボイラの状態量から、排熱回収ボイラの運転状態を
推定する排熱回収ボイラ状態推定手段と、前記運転予測
手段と、前記燃焼条件推定手段と、前記排熱回収ボイラ
状態推定手段の出力から、将来のプラント運転形態を決
める運用モード決定手段と、前記運用モード決定手段の
出力から、前記制御手段の出力を、前記燃料供給弁と前
記蒸気加減弁とに配分する信号配分手段と、前記運用モ
ード決定手段の出力により、前記蒸気加減弁の基準開度
設定を変更する基準開度設定手段と、前記信号配分手段
の出力のうち、前記蒸気加減弁の制御指令として配分さ
れた信号と、前記基準開度設定信号の出力信号とを加算
して、前記蒸気加減弁の制御信号を出力する加算器とを
有することを特徴とする複合サイクル発電プラントの出
力制御手段。